基于TWT的節(jié)點接入機制研究

朱慶華　常瑩

摘要：在實現(xiàn) IEEE 802.11ax目標喚醒機制的基礎上，進行了一定的完善和改進，提出一種分組的節(jié)點接入方法。首先接入點對設備進行分組，然后通過目標喚醒機制，公平分配每一組的傳輸時間，沒有傳輸數(shù)據(jù)的時候就休眠，可以大大的節(jié)能。其次組內通過競爭機制獲得各自的傳輸時間，一組的數(shù)據(jù)都傳完再到下一組，所有數(shù)據(jù)傳完之后再繼續(xù)傳輸。實驗仿真表明基于目標喚醒機制的 802.11ax節(jié)點接入技術，在有效提高吞吐量的同時，極大降低了所需功耗，同時控制數(shù)據(jù)包重傳率，能夠滿足一定條件下無線局域網的應用需求。

關鍵詞：TWT;喚醒機制;節(jié)點接入; 802.11ax

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0259-03

1 概述

近年來，通信行業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，人們的生活也有了質的飛躍，這在很大程度上得益于無線局域網的快速發(fā)展。但是網絡擁堵也已經成為一個嚴重的問題，比如繁忙的機場、火車站、住宅公寓樓等，無線局域網需要為許許多多的客戶端設備提供服務[1，2]。為了推進無線局域網的發(fā)展并滿足用戶對于吞吐量、能耗等的需求，必須繼續(xù)提高性能，業(yè)界正在通過802.11ax滿足這些需求[3]。802.11ax修正案旨在通過瞄準顯著增長來挑戰(zhàn)Wi-Fi部署的密集化。TWT機制最初是為降低能耗而設計的，它通過及時調度MU-DL和MU-UL傳輸以及從站點收集信息來完全最大化IEEE 802.11 MU能力[4]。此外，在密集場景中，無線局域網可以使用TWT來就非重疊調度達成一致，以進一步改善重疊BSS共存以及其他潛在用途。TWT的發(fā)展空間還很大，它的新用途將在未來幾年被研究，預計將推動未來無線局域網的加速發(fā)展與開拓新的發(fā)展空間[5]。

802.11ax無線局域網絡通過增加更高的容量，更大的覆蓋范圍和減少信道擁塞來使得Wi-Fi網絡變得更適用于當前的客戶需求，從而帶來更好的用戶體驗。802.11ax中包含了目標喚醒時間（TWT）機制來調度傳輸時間，目的是增強物理層和MAC層，以提高密集WLAN場景中的頻譜利用率，在保證高效的同時，也相應地提高了用戶的性能[6]。TWT允許節(jié)點通過相互協(xié)調或者由AP集中調度進入休眠狀態(tài)或者激活狀態(tài)。通過使部分節(jié)點進入休眠狀態(tài)，可以減少節(jié)點之間的競爭，增加網絡吞吐量，同時減少節(jié)點的功率消耗。此外無線接入點可以將客戶端設備分配到不同的TWT周期，從而減少同時競爭無線信道的設備數(shù)量，減少沖突。除此之外，TWT通過協(xié)調增加設備休眠時間，延長電池的壽命。

至今，很多關于TWT的研究都已展開，人們希望通過減少參與通信或工作的節(jié)點個數(shù)來降低網絡的能量消耗，調控網絡中的節(jié)點，協(xié)調網絡中節(jié)點的喚醒與休眠，減少終端設備的能量消耗，最終可以延長網絡壽命[7，8]。

2 系統(tǒng)模型

考慮的是在只有一個接入點和眾多終端設備的情況下，假設每一個設備都想要上傳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量是飽和的。接入點對固定數(shù)量的設備進行分組，然后通過目標喚醒機制，公平分配每一組的傳輸時間，設備在沒有傳輸數(shù)據(jù)的時候就休眠。其次是組內的STA通過競爭機制獲得各自的傳輸時間，一個時間里只有一個STA在傳，一組的數(shù)據(jù)都傳完再到下一組，所有數(shù)據(jù)傳完之后再繼續(xù)傳輸。在傳統(tǒng)的802.11中采用退避算法時，雖然在一定程度上避免了沖突，但隨著用戶的數(shù)量增加，信道沖突的可能性會加大，而采用分組可以獲得最佳數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟TA數(shù)量[9]。

通過AP 控制多個TWT STA的上行傳輸。假如STA都有數(shù)據(jù)等待傳輸，并且傳完之后又有新的數(shù)據(jù)要上傳。首先，AP根據(jù)STA的數(shù)量確定最佳的分組大小，再對每一組分配好適當?shù)腡WT時間，基于公平性，每一組傳輸時間相同，因此TWT是周期性固定值。每一組在對應的TWT醒來后，STA就可以向AP傳輸數(shù)據(jù)。而組內則根據(jù)退回機制，STA競爭傳輸?shù)臅r隙，每個時間段里只有一個STA傳輸，每一個數(shù)據(jù)包傳輸完AP就發(fā)送對應的ACK包，收到ACK的STA可以休眠。一整組STA傳完之后到下一組再傳，直到每一組都傳完，再開始下一輪新的傳輸。設備分組為10時，吞吐量最佳。于是，當STA的數(shù)量小于10時，沖突性較小，不用分組。當STA數(shù)量超過10時;STA數(shù)量除以K，K值等于數(shù)量值向上取整后再除以10;當STA數(shù)量超過100時，都為10。

3 性能評估指標

3.1 吞吐量

吞吐量表示的是單位時間內信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，換句話說就是一段時間內信道中的平均數(shù)據(jù)傳輸速率，吞吐量測量單位通常以比特/秒或字節(jié)/秒表示。802.11的信號傳輸速率會根據(jù)所用的具體傳輸技術而各不相同，但是隨著 STA 數(shù)量的增長，造成碰撞重傳的概率增大，吞吐量因而降低。在無線局域網中，終端的數(shù)量很多，由于數(shù)量增多時碰撞會變多而造成的吞吐量降低特別明顯[10]，因此提高無線網絡的密集場景中終端的吞吐量是很有必要的。由于 STA 數(shù)量范圍較大，實驗仿真吞吐量的真實數(shù)據(jù)相差很大，在圖像中難以直觀呈現(xiàn)，因此為了提高圖像的可觀性，本文采用歸一化飽和吞吐量作為評估指標，如公式（1）。歸一化飽和吞吐量的計算公式：

其中，[TRAW]表示 RAW 的持續(xù)時間，P 是網絡負載，單位為比特，[NRAW]上文提到過，表示 RAW 分組數(shù)量，[Etr]表示傳輸數(shù)量，[Ps]為傳輸成功率。

3.2 能量消耗

對無線局域網中依靠電池供電的設備來說，能量消耗也是一個極其重要的性能評估指標。本文中能量消耗表示的是，成功傳輸1比特負載數(shù)據(jù)而消耗的能量。無線局域網的終端設備有四種狀態(tài)：接收與發(fā)送、休眠以及關機。其中，關機狀態(tài)不需要消耗能量[11]。發(fā)送狀態(tài)下， STA 主要傳輸 RTS幀和數(shù)據(jù)幀，而接收模式下的 STA 負責接收信標幀、CTS幀和 ACK 幀[12]。

3.3 傳輸速率

本文假設傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小為1000字節(jié)，同時，假設造成傳輸失敗的主要原因為碰撞，而信道質量是理想的。在飽和場景下，默認每個 STA 完成一次傳輸后會收到ACK反饋，并且立刻會有新的數(shù)據(jù)待傳，當退避機制的計時器計數(shù)歸零時，傳輸開始，則數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)母怕视嬎愎饺缦拢?/p>

公式（2）表示在至少有一個STA成功傳輸?shù)那疤嵯拢『糜幸粋€STA傳輸成功的概率。其中，n 代表 STA 數(shù)量，得到[PS]之前需要獲得[τ]和[Ptr]。其中[τ]表示假設 STA 只有一個待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包傳輸成功的概率，具體計算公式如下：

其中，E[B]表示 STA 傳輸數(shù)據(jù)時退避時隙的平均數(shù)，E[R]為 STA 嘗試接入信道的次數(shù)。[Ptr]表示傳輸時隙中至少有一次數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)母怕剩ㄟ^求得時隙中所有傳輸均失敗的概率，減去失敗的概率即可得到成功的概率，所求公式如下：

4 實驗仿真分析

4.1 仿真環(huán)境

本文考慮基礎結構BSS。在一個密集的環(huán)境中，網絡中僅有一個 AP，所有 STA 與這個單獨的 AP 進行關聯(lián)，所有的 STA都處于 AP 傳輸范圍內。STA都有數(shù)據(jù)要傳輸，并且數(shù)據(jù)量是飽和的。假設信道環(huán)境良好，確保 STA 發(fā)送的數(shù)據(jù)包 AP 能夠正確接收。假設在確定范圍內所有的STA都有數(shù)據(jù)向AP傳輸，并且固定數(shù)量的STA已經與AP進行TWT連接，STA根據(jù)TWT喚醒或休眠，AP統(tǒng)一調配上行傳輸。我們使用MATLAB進行仿真，并與不使用休眠的算法進行對比，結果顯示本文提出的機制有效地提升了網絡的性能。

4.2 仿真結果及分析

上圖1中，隨著用戶數(shù)量增加，二進制退避機制吞吐量下降急速，斜率比較大，吞吐量明顯減少。而TWT機制的吞吐量也隨著用戶數(shù)量增加而減少，但是比BEB機制減少的更慢，并且隨著數(shù)量增多吞吐量大得多。由此可見，傳統(tǒng)的退避機制雖然避免了沖突，但吞吐量卻因用戶數(shù)量增多而減少。而提出的TWT機制通過分組，傳輸?shù)男视行岣?，減少網絡擁塞，使得吞吐量變大。

處于發(fā)送與接收或者沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟TA，需要耗能比較大或浪費，TWT分組機制讓客戶端盡可能休眠，通過協(xié)調，STA減少了監(jiān)聽時間，而且數(shù)據(jù)重傳率降低，重傳次數(shù)減少，信道吞吐量變大，傳輸更快，耗能也會更加少。由圖可以看出，在數(shù)量比較少時，二進制退避機制的耗能急劇增長，雖然在用戶數(shù)量變大的時候，耗能增長變慢，但是與TWT相比還是消耗太多。TWT機制耗能更加少，并且隨著用戶數(shù)量增長速度緩慢，可見提出的機制通過分組很好地降低了能耗，在節(jié)能方面起到顯著效果。圖3為從10到60數(shù)量的重傳概率變化。

由于二進制退避機制下，STA數(shù)據(jù)包在傳送時，重傳的概率會隨著 STA 數(shù)量的增長而顯著增大。而分組的TWT機制，設定在分配好的時間里只有一個 STA 傳輸數(shù)據(jù)，所以TWT STA 數(shù)據(jù)包之間碰撞的概率極小，而分組之后限定了數(shù)量，碰撞概率就更小了。在TWT 分組機制下 STA 碰撞重傳的概率很小，使得能耗減小并且吞吐量也有所提高。由圖可見，本文提出的接入機制，重傳的概率比較小且穩(wěn)定，因為分組的數(shù)量不超過10，所以隨著 STA 數(shù)量的增長曲線趨于平直，圖中顯示出改進的 TWT 方案性能非常好。

實驗仿真表明改進的 802.11ax節(jié)點接入技術，在有效提高吞吐量的同時，極大降低了所需功耗，同時控制數(shù)據(jù)包重傳率，能夠滿足一定條件下無線局域網的應用需求。

5 結論

無線局域網的發(fā)展給人們的生活帶來了翻天覆地的變化，它能夠便利地聯(lián)網，有高度的靈活性與移動性，省時省力省成本。而在密集環(huán)境中，用戶對于流量的需求有著明顯的周期性，用戶在某時段使用頻率更高。因此，應根據(jù)實際中網絡的真實流量需求，調整網絡設備的狀態(tài)，既要保證用戶終端的流量需求，又將設備盡可能地休眠就可以節(jié)省網絡的功耗。 本文在實現(xiàn) 802.11ax的目標喚醒時間機制的基礎上，提出基于分組的節(jié)點接入機制。實驗仿真表明，新的機制在有效提高吞吐量的同時，降低了終端功耗。

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[8] 802.11協(xié)議精讀2：DCF與CSMA/CA https：//blog.csdn.net/fzxy002763/article/details/51099918

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【通聯(lián)編輯：唐一東】